遠程控制中的嵌入式控制器系統(tǒng)的開發(fā)

發(fā)布于：07-13

本文針對一種基于嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提出了其嵌入式控制器的設計方法。本文結合嵌入式系統(tǒng)的設計理論，說明如何采用UML-RT和Platform方法設計嵌入式控制器，給出了嵌入式控制器系統(tǒng)設計的詳細步驟和具體內容摘??要：嵌入式控制器是各種工業(yè)控制系統(tǒng)的核心，它是一個典型的嵌入式系統(tǒng)。本文針對一種基于嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提出了其嵌入式控制器的設計方法。本文結合嵌入式系統(tǒng)的設計理論，說明如何采用UML-RT和Platform方法設計嵌入式控制器，給出了嵌入式控制器系統(tǒng)設計的詳細步驟和具體內容。 關鍵詞：嵌入式;?遠程控制;?UML;?建模 1?引言基于嵌入式儀表的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心是嵌入式控制器，嵌入式控制器是一個典型的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式控制器的系統(tǒng)設計遵從嵌入式系統(tǒng)設計的相關理論。嵌入式系統(tǒng)的設計有別于一般的傳統(tǒng)的設計。嵌入式系統(tǒng)的設計需要考慮軟件的響應速度，內存空間占用，電源消耗等。系統(tǒng)設計需要考慮把軟件和硬件的結構作為一個統(tǒng)一協(xié)調的整體。嵌入式系統(tǒng)趨向于采用高平臺（Platform）和采用面向對象的UML-RT來進行系統(tǒng)的分析和設計。因此，我們在設計嵌入式控制器時，采用UML-RT和平臺（Platform）進行系統(tǒng)的設計，使嵌入式控制器有一個彈性的架構，能夠方便快速的改變或擴充功能，滿足系統(tǒng)要求。 2?UML-RT和平臺2.1?UML-RT與嵌入式系統(tǒng)設計 UML?（Unified?Modeling?Language）是面向對象的建模語言，由Grady?Booch，James?Rumbaugh和Ivan?Jacobson提出，并于1997年被OMG（Object?Management?Group）組織采納為業(yè)界標準。UML用一套標準的符號體系來描述模型，可以用它來描述系統(tǒng)的結構和靜態(tài)特征，系統(tǒng)的行為和動態(tài)特征。它從不同的視角為系統(tǒng)架構建模，形成系統(tǒng)的不同視圖（view）。作為一個通用的建模語言，UML提供了良好的擴展機制，如版類（Stereotype，加標簽值（tagged?values），約束（constraints）等，允許UML針對專門的應用領域進行建模。 利用UML擴展機制，專門針對嵌入式系統(tǒng)的UML-RT有三個基本的結構：容器（capsules），端口（ports），連接器（connectors）。 2.2平臺與嵌入式系統(tǒng)設計 我們在抽象層次上對嵌入式系統(tǒng)進行描述，并對這種描述提供平臺支持，把嵌入式軟件和硬件的結構作為一個統(tǒng)一協(xié)調的整體來認識?；谄脚_的設計思想在PC設計上用了多年，近年來，這個方法得到普遍化，形式化，適用于嵌入式系統(tǒng)設計。用平臺進行嵌入式系統(tǒng)建模，解決下列設計難題： 1.?應用程序的QoS需求。 2.?資源組，APIs和QoS提供的服務。 3.?不同抽象層的關系，尤其是資源的映射和使用。 在嵌入式的軟硬件設計流程中，對關鍵的連接點定義平臺。每個平臺表示設計流程中的一層。服務質量（QoS）參數，比如CPU的處理速度，Il0帶寬等，要在相關的平臺作好定義。在理想情況下，提供QoS的平臺的性能參數至少要滿足要求QoS的平臺的性能參數。 基于平臺設計的一個基本思想是平臺能支持類似或相關的應用程序，有些應用程序可以出現在平臺被開發(fā)出來后。為支持這些不可預見的程序，平臺服務必須有擴展性。 3?嵌入式控制器的需求分析我們利用UML的用例圖（use?case）來對嵌入式控制器進行需求分析。用例圖從用戶的觀點描述了系統(tǒng)硬件和軟件的功能。按照第二章對嵌入式控制器的功能描述，我們得出系統(tǒng)的用例圖，如圖1所示。其中包括七個不同的用例和兩個不同的角色。 [align=center]圖1?嵌入式控制器的用例圖[/align] 用戶角色可進行查看數據，設定數據，開啟和關閉控制對象（智能儀表），控制對象可以接收和發(fā)送數據，相應開啟和關閉的操作指令。數據處理中心負責數據的封裝、發(fā)送，計算等數據處理工作。 4?平臺（platform）的劃分和設計在完成了系統(tǒng)的需求分析之后，開始劃分本平臺的系統(tǒng)結構，所謂本平臺的系統(tǒng)結構就是指平臺系統(tǒng)對各級之間界面的定義及其上、下層的功能分配，而且每一層又有它自己的系統(tǒng)結構。主要按照功能、邏輯順序來劃分多級層次結構。嵌入式控制器平臺的系統(tǒng)結構如圖2所示。 我們把嵌入式控制器系統(tǒng)分為3個抽象層次：體系結構平臺（ARC?platform），應用程序編程接口平臺（API?platform），定制的應用程序平臺（ASP）。ARC平臺包含了微處理器存儲系統(tǒng)，接口電路，I/O通道及芯片之間的內部連接。微處理器系統(tǒng)由Rabbit2000微處理器，FLASH，SRAM，RTL8019AS網絡控制芯片等一族“微架構”組成。API平臺包括RTOS實時操作系統(tǒng)，嵌入式Web服務器，設備驅動程序等。API平臺是軟件抽象層，把ARC平臺的實現細節(jié)進行封裝。API平臺提供接口服務，并對這些接口按類別進行分組。比如用戶需要知道RTOS是否提供占先式任務調度接口，嵌入式Web服務器提供的Http，TCP/IP接口。ASP平臺提供用戶的直接操作界面和專門的應用服務，如讓用戶通過瀏覽器查看和設定智能儀表的控制參數。 [align=center]圖2?平臺的劃分[/align] 在每個平臺都有相應的服務質量（QoS）的要求。在ARC平臺對功耗，存儲量，處理速度，通訊能力等都有要求。Rabbit2000，RTL8019AS等芯片可以很好的滿足這些要求。在API平臺對運行任務的個數，任務切換時間等也有要求，嵌入式Web服務器和RTOS—μc/OS能滿足這些要求。在ASP平臺要求進行實時的參數查看和參數設定。采用lava?Applet能很好的做到這些。 對嵌入式控制器系統(tǒng)進行平臺的劃分，并且對各個平臺提出相應的服務質量參數，使我們在設計的初始階段對整個設計有全局的觀念，由于各個平臺之間相對獨立，對以后出現的新的設計要求和設計修改具有很好的適應能力。 5?基于UML-RT的嵌入式控制器設計在對嵌入式控制器劃分平臺后，我們可以用UML-RT的符號體系對嵌入式控制器系統(tǒng)進行建模。我們把建模的過程分為兩個階段。第一階段是考慮系統(tǒng)的對外接口。第二階段是考慮系統(tǒng)內部的平臺建模。 根據前面用例圖的需求分析，得出系統(tǒng)需要與環(huán)境交互的端口有兩個：一個是與控制對象即智能儀表進行通訊。一個是和用戶進行交互。為了支持用戶交互和控制對象通訊，我們定義了兩個容器（capsule）?u:UserInterface和t?:Transfer?Data。容器p:Process?Data則是用來處理數據。容器可以包含相關的軟件和硬件結構，我們對t:Transfer?Data進一步細化，可以得到圖3。 [align=center]圖3?TransferData容器的結構[/align] 圖3中可以看到數據傳送可通過并口和串口進行，這種傳送和處理器Pl即Rabbit2000耦合的很緊，我們用UML-RT的擴展符號表示。同樣，《SW?P1》表示在處理器P1上執(zhí)行的處理與控制對象通訊的程序。我們用這種方式還可以對u?:User?Interface和p?:Process?Data進行細化。在第一階段的基礎之上，我們結合前面對平臺的劃分，進行平臺建模。系統(tǒng)的ARC平臺的建模如圖4所示。 [align=center]圖4?ARC平臺的UML-RT建模[/align] 圖4表示了ARC平臺的基本組件和它們的拓撲圖結構，利用這個圖可以進一步的進行對象建模。這個模型提供了一個框架，并可以方便的增加，移動，替代，修改框架內的元素。UML-RT的端口可以有效的表示模型元素之間的接口。 API平臺處于ARC平臺和ASP平臺之間，包括RTOS，嵌入式Web服務器，設備驅動程序等。從UML-RT角度看，API平臺是ARC容器與ASP容器之間的通訊管道。在這里?ARC容器和ASP容器直接通過連接器相連。 我們把API平臺表現出來，如圖5所示。ARCProxy從ASP容器的端口中接收調用信息，然后把這個信息通過RTOS?API送到合適的設備驅動程序，讓設備驅動程序去和ARC平臺通訊。異步和同步的通訊可以通過這個方式進行。從圖5還可知，驅動程序和RTOS是緊密相關的。ASP平臺的建模同樣可以通過類似的方式表現。 [align=center]圖5?ARC容器與ASC容器的通訊的實現[/align] 綜上所述，結合UML-RT和Platform進行嵌入式控制器的設計，我們看到它們能夠很好的對嵌入式軟硬件進行抽象，提供良好的文檔資料?；赨ML-RT和Platform設計的系統(tǒng)架構，對設計過程出現的新的設計要求和設計修改具有很好的適應能力，設計者可以及早的發(fā)現并更正錯誤。 本文作者創(chuàng)新點本文首先對嵌入式系統(tǒng)設計理論中的UML-RT和平臺（Platform）進行了介紹，然后結合嵌入式控制器，作者具體闡述了UML-RT和平臺思想在嵌入式控制器系統(tǒng)設計中的運用，給出了嵌入式控制器系統(tǒng)設計的詳細步驟和具體內容。 參考文獻:[1]?康軍,戴冠中.基于Internet的工業(yè)以太網遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].控制工程,2004.7:?16-20 [2]?王勇.嵌入式Internet的實現及其安全性問題的研究[D].浙江大學博士論文,2003 [3]?李鳳保.網絡化測控系統(tǒng)技術[M].?四川大學出版社,2004.5 [4]?董小國,王蓉.?基于Web的中水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現[J].?微計算機信息,?2006,?12-1:?86-88